[pt] Este trabalho experimental tem como objetivo estudar a ductilidade de vigas retangulares de concreto armado reforçadas à flexão utilizando compósitos com tecido de fibras de carbono. No estudo realizado são apresentados os conceitos clássicos de ductilidade e é proposta uma nova sistemática para obtenção do índice de ductilidade, baseada nas considerações da energia elástica e da energia inelástica. A ductilidade é determinada por meio de um índice energético, que se caracteriza como uma forma mais eficiente para a determinação e análise da ductilidade em elementos estruturais. O programa experimental consistiu no ensaio de sete vigas bi-apoiadas, sendo uma viga de referência e as demais reforçadas à flexão com tecido de fibras de carbono. Todas as vigas possuem as mesmas características mecânicas e geométricas e foram dimensionadas de modo a garantir a ruptura por flexão. A viga de referência, a primeira ensaiada, não foi reforçada e serviu para comparações de incremento de rigidez e resistência após a aplicação do reforço. As vigas reforçadas foram divididas em dois grupos. O grupo A é constituído de duas vigas, reforçadas inicialmente com uma e duas camadas de tecido de fibra de carbono. O grupo B é constituído por quatro vigas que foram reforçadas após um carregamento inicial. Neste grupo, duas vigas foram reforçadas com uma camada de tecido de fibra de carbono e as outras duas foram reforçadas com duas camadas de tecido de fibras de carbono, correspondendo à mesma área total de reforço das anteriores. Todas as vigas foram concretadas, instrumentadas e ensaiadas no Laboratório de Estruturas e Materiais da PUC-Rio. Os ensaios das vigas do grupo B foram realizados com as vigas pré-ensaiadas, reforçadas sob deformação constante e em seguida levadas à ruptura. A deformação foi mantida constante durante a aplicação e o período de cura do reforço. Os resultados obtidos em termos de carga, flecha, momento, curvatura, ductilidade energética e rotação plástica foram analisados. Os estudos realizados mostraram que o reforço com compósitos de fibras de carbono é uma técnica eficaz, que as vigas apresentam ductilidade adequada e que os índices energéticos propostos são adequados para este tipo de estudo. / [en] The objective of this experimental work is to study the ductility of reinforced concrete beams strengthened in flexure using externally bonded carbon fiber fabric composites. This study presents the classic concepts of ductility and proposes a new systematic to obtain the ductility index, which is based on the considerations of elastic and inelastic energy. The ductility was determined by an energetic index, which has seen to be a more efficient method to establish and analyze the ductility of structural elements. The experimental program consisted of seven beams tests. One was used as a control beam without external reinforcement and the others were strengthened with carbon fibers in order to resist flexural load. All the beams had the same mechanical and geometrical characteristics and were designed to fail in flexure. The control beam was not strengthened and its purpose was to compare the stiffness increase and resistance after the strength. The strengthened beams were divided in two groups. Group A was constituted by two beams, initially strengthened by one and two layers of carbon fiber fabric. Group B was formed by four beams which were strengthened after the application of an initial load. In this group, two beams were strengthened by one layer of carbon fiber fabric and the other two were strengthened by two layers, which corresponded to the same area of the others. All the beams were cast, instrumented and tested in the Structural and Materials Laboratory at PUC-Rio. Group B tests were performed with the pretested beams strengthened under constant strain, and then loaded up to rupture. The strain was kept constant during the application and cure of the external reinforcement. The results obtained in terms of load, deflection, resistant moment, curvature, energetic ductility indexes and plastic rotation were analyzed. The study showed that the reinforcement using carbon fiber fabric composites is an efficient technique, the beams presented adequate ductility and the proposed energetic ductility indexes are consistent formulae for this kind of study.

[pt] O concreto de ultra alto desempenho (UHPC) reforçado com fibras é um material que foi desenvolvido nas últimas décadas para atender à necessidade de estruturas modernas por um material mais resistente e durável. Suas características altamente não lineares tanto na tração quanto na compressão levam a um comportamento complexo. Além disso, a distribuição não homogênea das fibras e a alta resistência à tração, quando comparada ao concreto convencional, resultam em menor ductilidade para vigas de UHPC. A análise de elementos finitos mostra ser uma ferramenta adequada para representar a resposta de elementos estruturais de UHPC, mas a calibragem do modelo deve ser aplicada corretamente e técnicas de modelagem coerentes devem ser usadas para representar corretamente os tramos pós-pico de curvas força-deslocamento para vigas de UHPC submetidas a testes de flexão de quatro pontos. Foi realizada uma extensa caracterização do material tanto em tração quanto em compressão. Testes axiais monotônicos foram conduzidos para obter curvas tensão-deformação na compressão e tensão-abertura de fissura na tração. Testes cíclicos foram realizados para determinar a evolução do dano experimental em compressão e na tração. Esses dados serviram como referência para calibrar modelos uniaxiais e modelos de evolução de dano de acordo com expressões analíticas disponíveis na literatura. Modelos heterogêneos simulando a dispersão do material nas propriedades mecânicas do UHPC ao longo do volume das vigas foram utilizados para obter uma seção transversal que apresentasse resistência otimizada, mantendo a ductilidade desejada. Finalmente, cinco vigas foram testadas, com diferentes formas e porcentagens de reforço, e estratégias de modelagem foram comparadas aos dados experimentais das vigas. / [en] Ultra-high performance concrete is a material which has been developed in the last decades to fulfill modern structures need for a more resistant and durable material. Its highly nonlinear characteristics in both tension and compression leads to a complex behavior. In addition to that, the inhomogeneous distribution of the fibers and the high tensile strength when compared to conventional concrete result in reduced ductility for UHPC beams. Finite element analysis is shown to be an adequate tool to represent UHPC structural element s response but the model calibration must be correctly applied and coherent modeling techniques must be used to correctly model the post-peak branches of load-displacement curves for UHPC beams subjected to four-point load bending tests. An extensive material characterization in both tension and compression was conducted. Monotonic axial tests were conducted to obtain stress-strain curves in compression and stress-crack opening in tension and cyclic tests were made to determine the experimental damage evolution in compression and in tension. These data served as input to calibrate uniaxial models and damage evolution models according to analytical expressions available in the literature. Heterogeneous models simulating the material dispersion of the mechanical properties of the UHPC over structural beams were used to obtain a cross-section that presented optimized resistance while maintaining target ductility. Finally, five beams were tested, with different shapes and reinforcement ratios and the modeling strategies were benchmarked to the beams experimental data.

[pt] A utilização de barras de polímero reforçado com fibra contínua (Fiber reinforced polymer, ou FRP) como reforço no concreto armado vem ganhando relevância no mercado devido às suas propriedades não corrosivas, alta resistência, durabilidade e transparência eletromagnética. Por outro lado, o comportamento frágil e o baixo módulo de elasticidade das barras de FRP limita sua aplicação e difusão no mercado da construção civil. Sob esta perspectiva, este trabalho avalia, em uma primeira etapa, o incremento de ductilidade em vigas de concreto armado com barras de GFRP (Glass fiber reinforced polymer) por meio da adição de fibras dispersas de vidro AR (álcali resistente) à matriz cimentícia e/ou pelo confinamento do concreto nas regiões críticas com o uso de estribos de GFRP. Para tal, são reportados e discutidos os resultados de ensaios realizados em oito vigas isostáticas sob flexão de quatro pontos, sendo quatro superarmadas e quatro são subarmadas. Em geral, as estratégias adotadas se mostraram bem-sucedidas apenas para as vigas superarmadas, que passaram a apresentar falhas caracterizadas por formação de cunha de compressão e grandes deslocamentos até a ruptura. Para avaliação da ductilidade, foram adotados dois métodos distintos: um baseado em energia (índice de ductilidade, (micro)E) e outro baseado em deformação (fator de performance, (micro)M). Para as vigas subarmadas, o fator de performance por meio da curvatura e o fator de performance por meio da deflexão representaram maiores incrementos de ductilidade para a viga com adição de fibras dispersas devido ao efeito do enrijecimento à tração, enquanto o índice de ductilidade não se mostrou uma boa alternativa para estas vigas. Para as vigas superarmadas, o fator de performance por meio da curvatura e o índice de ductilidade representaram maiores incrementos de ductilidade para as vigas com confinamento, enquanto no fator de performance por meio da deflexão, o incremento de ductilidade foi mais significativo para as vigas com adição de fibras. Em uma segunda etapa, é avaliada a capacidade de redistribuição de momentos fletores em três vigas hiperestáticas de dois vãos reforçadas com barras de GFRP contendo maior taxa de armadura inferior, bem como configurações distintas de armadura transversal e uso de fibras. Foi possível observar um aumento do momento nos centros dos vãos de 30 por cento e uma redução no momento no apoio central superior a 60 por cento, quando comparados aos momentos elásticos, que confirmam a influência da configuração da armadura na distribuição de esforços. / [en] The use of continuous fiber reinforced polymer (FRP) bars as an internal reinforcement for concrete has gained attention due to its non-corrosive properties, high resistance, requiring electromagnetic transparency. On the other hand, the brittle behavior and low modulus of elasticity of FRP bars limit their application and diffusion in the civil construction market. From this perspective, this work evaluates, firstly, the increase of ductility in GFRP (glass-fiber reinforced polymer) reinforced concrete beams by adding dispersed alkali-resistant (AR) glass fibers to the cementitious matrix and/or by confinement of the concrete in critical regions with the use of GFRP stirrups. To accomplish this task, the results of tests performed on eight statically determinate beams under four-point bending are reported and discussed, four of which are under-reinforced and four are over-reinforced. In general, the strategies adopted were successful only for the overreinforced beams, whose failures were characterized by the formation of a compression wedge and large displacements before rupture. For ductility evaluation, two distinct methods were adopted: one based on energy (ductility index, (micro)E) and another based on deformation (performance factor, (micro)M). For under-reinforced beams, the performance factor through curvature and the performance factor through deflection led to greater ductility increments for the beam with the addition of dispersed fibers due to the tensile stiffening effect, while the ductility index did not lead to good results. For the over-reinforced beams, the performance factor through curvature and the ductility index were able to describe the greater ductility increments for the confined beams, while the performance factor through deflection resulted in a greater ductility increment for the beams with discrete fiber addition. In a second step, the capacity of redistribution of moments in three statically indeterminate GFRP reinforced concrete beams with two spans and with a higher lower reinforcement ratio was evaluated for two different configurations of transverse reinforcement and for the use of fibers. It was possible to observe an increase in the positive moment of 30 percent (center of span) and a reduction in the negative moment (central support) greater than 60 percent, when compared to the elastic moments, confirming the influence of the reinforcement configuration on the distribution of internal forces.